UNJUK KERJA SARINGAN PADA PENGUMPUL DEBU

SEBAGAI FUNGSI DIAMETER PARTIKEL

Cokorda Prapti Mahandari Laboratorium Fisika Dasar Universitas Gunadarma

Kampus H, Gedung I Lantai II, Ciliwung

Jl. Akses UI Kelapa Dua Cimanggis Depok

e-mail : pidika2000@yahoo.com

ABSTRAK

Pengumpul debu (dust collector) sebagai terminal terakhir sistem ventilasi, menyaring

polutan dari udara tercemar sebelum dibuang ke udara bebas. Penyaringan terjadi dalam

2 metode, yaitu : intersepsi dan difusi. Unjuk kerja penyaringan ditentukan oleh unjuk

kerja kedua proses tersebut.

Dengan menganalisa aliran udara tercemar pada pengumpul debu dari industri barang

jadi karet pada tingkat partikelnya, diperoleh karakteristik unjuk kerja intersepsi dan difusi

yang dipengaruhi oleh diameter partikel. Unjuk kerja intersepsi saringan sebanding

dengan diameter partikel sedangkan unjuk kerja difusi saringan berbanding terbalik

dengan diameter partikel.

Kata kunci : unjuk kerja, saringan, aliran

PENDAHULUAN

Pencemaran udara adalah salah satu bentuk pencemaran dari kegiatan industri.

Pada konsentrasi yang cukup tinggi pencemaran udara akan mengotori udara sekeliling

lokasi industri sampai dengan radius tertentu.

Salah satu alternatif yang dapat dilakukan adalah dengan memasang sistim

ventilasi yang umumnya terdiri dari : kipas angin (fan) yang dipasang pada saluran

berbentuk kerucut terpancung sebagai penghisap udara kotor, sistem saluran udara

(ducting) untuk mengalirkan udara kotor dan pengumpul debu (dust collector) untuk

mengumpulkan polutan.

Pada pengumpul debu terdapat saringan (filter) yang berfungsi sebagai

penyaring udara. Unjuk kerja saringan akan dianalisa dari aliran udara tercemar yang

melewati saringan. Pendekatan yang dilakukan adalah analisa aliran tingkat partikel dari

udara tercemar pada 2 metode penyaringan yang terjadi secara simultan yaitu proses

intersepsi dan difusi.

1

Analisa unjuk kerja saringan dilakukan pada tingkat partikel untuk memperoleh

gambaran tentang aliran partikel, persamaan untuk menentukan unjuk kerja saringan dan

karakteristik unjuk kerja saringan sebagai fungsi diameter partikel.

Dengan mengetahui unjuk kerja saringan sebagai fungsi diameter partikel maka

dapat diperkirakan kesesuaian pemilihan diameter serat saringan dengan partikel polutan

yang ingin disaring. Di samping itu dari gambaran tentang alirannya dapat dianalisa lebih

lanjut langkah-langkah yang diperlukan untuk meningkatkan unjuk kerja sistem ventilasi

secara umum.

TINJAUAN PUSTAKA

Saringan jenis serat (packed bed filter) umumnya digunakan pada penyaringan

udara, minyak, maupun air. Saringan jenis ini digunakan pada berbagai macam industri

yang melibatkan proses penyaringan seperti pada : alat pembersih udara dalam ruangan,

tangki penyaringan pada pembuatan air minum kemasan, cerobong pengolahan baja,

kapur, dan berbagai jenis industri kimia.

Fluida yang berupa udara kotor saat melewati serat saringan akan membentuk

lapisan batas aliran (boundary layer flow) akibat pengaruh gesekan dari fluida terhadap

permukaan serat . Konsep Lapisan Batas pertama kali dikemukakan pada tahun 1904

oleh Ludwig Prandtl, seorang ahli aerodinamika Jerman. Konsep Prandtl ini membagi

aliran fluida ke dalam 2 (dua) bagian yaitu di dalam lapisan batas aliran, yang besar

pengaruh gesekannya dan di luar lapisan batas aliran, yang tidak ada pengaruh

gesekannya

Proses penyaringan umumnya dibedakan menjadi 2 proses yaitu intersepsi dan

difusi. Proses penyaringan intersepsi adalah proses terperangkapnya fluida disela-sela

penampang proyeksi dari serat saringan dan proses difusi adalah proses tersaringnya

fluida akibat gaya hambat aliran pada penampang serat. Akibat adanya gaya hambat ini,

maka proses penyaringan difusi hanya terjadi di dalam lapisan batas aliran.

Penelitian tentang unjuk kerja saringan dipengaruhi oleh kecepatan fluida, suhu

dan tekanan operasi telah banyak dilakukan dan ditampilkan pada spesifikasi saringan.

Sedangkan perkembangan terakhir tentang pengaruh diameter partikel terhadap unjuk

kerja saringan adalah studi permodelan matematis penyaringan asap motor diesel

dengan menggunakan aerosol sebagai fluida kerja oleh peneliti di New Jersey Institute of

Technology. Unjuk kerja proses penyaringan dianalisa sebagai fungsi diameter partikel

dan laju aliran volume partikel pada kondisi transien. Pendekatan yang dilakukan adalah

dengan menganggap bahwa laju penyaringan partikel sebanding dengan jumlah partikel

aerosol yang terkumpul. Parameter yang diubah hanya ketebalan lapisan partikel aerosol

di pengumpul (collector) pada kondisi tunak (steady state). Persamaan yang diperoleh

2

kemudian diselesaikan dengan penyelesaian polinomial Chebyshev. Hasil dari

permodelan matematis ini dibandingkan dengan hasil dari percobaan.

METODE PENELITIAN

Pada penelitian ini aliran udara tercemar yang dibahas adalah udara tercemar

yang keluar dari proses pencampuran karet mentah dengan karbon hitam pada industri

pembuatan barang jadi dari karet. Aliran partikel udara tercemar tersebut melewati

saringan jenis serat dan dianalisa dengan pendekatan aliran tunak, tak mampu mampat

bergesekan. Konsep tentang lapisan batas juga dipergunakan terutama untuk

menganalisa unjuk kerja proses difusi.

Data-data mengenai sistem ventilasi, pengumpul debu, saringan, sifat dan

komposisi udara tercemar diperoleh dari PT Fuboru, Sidoarjo Jawa Timur. Sedangkan

perhitungan unjuk kerja dilakukan berdasarkan persamaan aliran dari konsep mekanika

fluida yang diselesaikan secara matematis. Kecenderungan perubahan unjuk kerja

saringan terhadap diameter partikel ditampilkan dengan menggambarkannya dalam

bentuk grafik garis dari tabel hasil perhitungan unjuk kerja saringan pada berbagai

ukuran diameter partikel.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Aliran udara tercemar melewati serat saringan dapat digambarkan dalam bentuk

garis arusnya ( streamline) sebagai berikut :

partikel

aliran fluida serat saringan

Gambar 1. Garis arus aliran fluida melewati serat saringan

Analisa aliran udara pada proses penyaringan intersepsi

Laju aliran volume udara yang melalui serat saringan pada jarak rs pada θ = 00

adalah

3

(1) ∫=A

dAVQ .r

(2) ∫+

=fs

f

rr

rL drRCQ .2 θ

Untuk aliran bergesekan maka CL dan Rθ adalah :

( )

C VL =

−∞

2 2 ln Re (3)

Rrr

rr

f

fθ = − +

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥

1 22 ln (4)

dimana :

Q : laju aliran volume ( m3/dt)

⎯V : vektor kecepatan yang tegak lurus penampang dA

dA : luas penampang

V∞ : kecepatan udara tercemar sebelum melewati saringan (m/dt)

Re : angka Reynold

Re = ∞ρμ

V D (5)

ρ = massa jenis udara tercemar (kg/m3)

D = diameter serat (m)

μ = viskositas udara tercemar (kg/m.dt)

rf : jari-jari serat (m)

rs : jari-jari partikel (m)

Bila persamaan diintegralkan dan disubstitusikan ℜ =ds /Df maka

(6) ( ) ( ) ( ) ({ }Q C DL f= + ℜ + ℜ + + ℜ − +−2 1 1 1 11ln )ℜ

Laju aliran volume melewati penampang proyeksi serat adalah

Qp = 2V∞ rf (7)

Besarnya unjuk kerja proses intersepsi adalah laju aliran volume melewati penampang

proyeksi serat dibagi laju aliran volume melewati serat saringan pada θ = 00.

η ip

QQ

= (8)

Sehingga diperoleh :

4

( ) ( )( ) ({ }η i =−

+ ℜ + ℜ + ℜ − + ℜ−12 2

2 1 1 1 11

( ln Re)ln ) (9)

Analisa aliran udara pada proses penyaringan difusi

Proses difusi terjadi pada bagian aliran di dalam lapisan batas. Tebal lapisan

batas pada lokasi terjadinya proses difusi oleh Langmuir adalah :

x t= ⎡

⎣⎢⎤⎦⎥

4 1 2Δπ

/

(10)

dimana :

x : tebal lapisan batas

Δ :koefisien difusi yang besarnya sesuai dengan persamaan

Δ =RT

Nds3π μ f

(11)

dimana :

R: konstanta gas ( 8,3143 J/gmoleOK)

T: suhu (OK)

N: Bilangan Avogadro ( 6,022x102 /gmole)

Proses difusi berlangsung secara aktif antara sudut 600 dan 1500. Waktu yang

diperlukan untuk melintasi sudut ini adalah :

tD

C xf

L o

=0 139 2,

(12)

dimana :

xo : tebal lapisan batas pada θ=00

Menurut Langmuir, proses difusi mulai berlangsung pada θ=00 dan tebal lapisan

batasnya ditentukan oleh persamaan :

xD C D

o

f L

⎡

⎣⎢⎢

⎤

⎦⎥⎥

=3

0 14, Δ

f

(13)

Unjuk kerja proses difusi adalah :

ηdL o

f

o

f

o

f

o

f

CV

xD

xD

xD

xD

=∞

+⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ +

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ + +

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟ − +

⎛

⎝⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟

⎧⎨⎪

⎩⎪

⎫⎬⎪

⎭⎪

−

2 12

12

12

12

1

ln (14)

5

Data untuk udara dan karbon hitam adalah sebagai berikut:

Karbon hitam : massa jenis (ρ) : 1900 kg/m3

diameter partikel (d) : 0,01 - 0,5μm

laju aliran massa (m) : 5,233x10-4 kg/dt

Udara :

massa jenis (ρ) : 1,225 kg/m3) pada T=288 K, P=1 atm

viskositas : 1,781x10-5 kg/m.dt

Untuk perhitungan unjuk kerja saringan maka dipergunakan nilai rata-rata dari

masing-masing sifat fluida. Hasil perhitungan unjuk kerja proses penyaringan intersepsi

ditabelkan pada tabel 1, sedangkan perhitungan unjuk kerja proses penyaringan difusi

ditampilkan pada tabel 2. Untuk memperoleh gambaran tentang kecenderungan

perubahan unjuk kerja akibat perubahan diameter partikel maka data dari tiap-tiap tabel

digambarkan dalam bentuk grafik yaitu pada Gambar. 2 dan Gambar.3.

Tabel 1.

Perhitungan unjuk kerja proses penyaringan intersepsi serat saringan

untuk berbagai ukuran diameter partikel

d Df CL V V*Df R=d/Df Q Eff

(μm) (m) (m/dt) (m/dt) (m3/dt)

0.01 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.00833 2.62E-11 0.0012

0.05 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.04167 6.41E-10 0.0297

0.10 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.08333 2.50E-09 0.1157

0.15 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.12500 5.48E-09 0.2537

0.20 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.16667 9.51E-09 0.4403

0.25 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.20833 1.45E-08 0.6713

0.30 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.25000 2.05E-08 0.9491

0.35 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.29167 2.72E-08 1.2593

0.40 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.33333 3.49E-08 1.6157

0.45 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.37500 4.32E-08 2.0000

0.50 1.20E-06 0.158 1.8 2.16E-06 0.41667 5.23E-08 2.4213

Dari tabel 1 dan grafik pada gambar 2. terlihat bahwa unjuk kerja proses

penyaringan intersepsi dari serat saringan akan semakin tinggi bila yang disaring adalah

partikel yang diameternya lebih besar. Nilai unjuk kerja proses penyaringan intersepsi

dapat mencapai nilai lebih dari 1 karena pengertian unjuk kerja proses penyaringan

intersepsi adalah perbandingan laju aliran yang melewati serat saringan dengan laju

6

aliran yang melalui penampang proyeksi dari serat yang berupa lingkaran. Secara visual

hal ini juga dapat dilihat dari kenyataan bahwa penampang sela-sela dari serat saringan

memungkinkan tersaringnya laju aliran fluida yang lebih besar.

Unjuk kerja proses penyaringan intersepsi

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

diameter partikel (μ m)

unju

k ke

rja

pros

es p

enya

ringa

n in

ters

epsi

Gambar 2.

Grafik unjuk kerja proses penyaringan intersepsi serat saringan

untuk berbagai ukuran diameter partikel

Sedangkan dari tabel 2 dan grafik pada gambar 3, unjuk kerja proses

penyaringan difusi mempunyai kecenderungan yang berbeda jika dibandingkan dengan

unjuk kerja proses penyaringan intersepsi. Karena proses penyaringan difusi didasarkan

pada terhambatnya aliran maka tidak akan mungkin tercapai unjuk kerja difusi saringan

yang lebih besar dari 1. Semakin kecil diameter partikel justru akan semakin mudah

terhambat oleh serat saringan atau pada gaya hambat yang sama maka partikel yang

lebih kecil akan lebih mudah dan lebih banyak yang terhambat.

Kedua proses penyaringan berlangsung bersamaan sehingga unjuk kerja

saringan adalah unjuk kerja gabungan kedua proses penyaringan tersebut. Untuk itu

gambar 4. menampilkan penggabungan kedua grafik yang menghasilkan titik

perpotongan antara kedua grafik yaitu pada ukuran diameter partikel 0,125 μm dan unjuk

kerja

7

Tabel 2.

Perhitungan unjuk kerja proses difusi serat saringan

untuk berbagai ukuran diameter partikel

d Df T R N μ CL Δ Xo Eff

(μ m) (μ m) (Κ) (J/gmol.K) (1/gmol) (kg/m.dt) (m/dt) (m2/dt) (μ m) (%)

0.01 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 2.37E-09 0.145 0.884

0.05 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 4.74E-10 0.085 0.320

0.10 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 2.37E-10 0.067 0.205

0.15 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 1.58E-10 0.059 0.158

0.20 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 1.19E-10 0.053 0.131

0.25 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 9.49E-11 0.049 0.113

0.30 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 7.91E-11 0.047 0.101

0.35 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 6.78E-11 0.044 0.091

0.40 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 5.93E-11 0.042 0.083

0.45 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 5.27E-11 0.041 0.077

0.50 1.2 288 8.3143 6.02E+23 1.78E-05 0.158 4.74E-11 0.039 0.072

Unjuk kerja proses penyaringan difusi

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50diameter partikel ( μ m)

unju

k ke

rja

pros

es p

enya

ringa

n di

fusi

Gambar 3.

Grafik unjuk kerja proses difusi serat saringan

untuk berbagai ukuran diameter partikel

8

Unjuk kerja gabungan proses penyaringan difusi dan intersepsi

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

diameter partikel ( μ m)

unju

k ke

rja

gabu

ngan

Gambar 4.

Grafik unjuk kerja gabungan proses difusi dan proses intersepsi serat saringan

untuk berbagai ukuran diameter partikel

PENUTUP

Unjuk kerja saringan ditentukan oleh unjuk kerja gabungan dari proses intersepsi

dan difusi. Saringan bekerja secara optimal pada diameter partikel polutan dengan

ukuran sekitar 0,125 μm yaitu pada perpotongan grafik unjuk kerja kedua proses.

Proses penyaringan sangat menarik untuk dianalisa dari segi aliran tingkat

partikel dengan menerapkan konsep-konsep dinamika fluida partikel. Sehingga untuk

memperoleh hasil yang lebih teliti maka pemakaian perangkat lunak CFD (Computational

Fluid Dynamic) dengan ukuran mesh/grid yang kecil, akan sangat membantu

pemahaman dan usaha peningkatan unjuk kerja saringan.

Di samping itu pengaruh dari ketebalan penumpukan partikel di saringan juga

perlu diteliti dengan kondisi transien.

DAFTAR PUSTAKA

Crawford, Martin. 1976, Air Pollution Control Theory. Tata McGraw-Hill Publishing

9

Company Ltd. New Delhi.

Dorman, R.G. 1974 Dust Control And Air Cleaning, Pergamon Press, Oxford,

NewYork.

Ferry, Handbook of Chemistry

Fox, Robert W, McDonald, Alan T, 1985. Introduction to Fluid Mechanics, John Wiley

& Sons, New York,

M. Bragg, Gordon 1987, Air Pollution Control, Part IV, John Wiley & Sons, New York,

Ian W. Burdick, Dr. Robert Pfeffer, Dr. Henry Shaw, Dr. John G. Stevens, Modeling

Diesel Soot Filtration in a Rotating Granular Bed Filter, http: www.njit.edu, 19 Juli 2001

10